某直線(xiàn)電機(jī)精密氣浮平臺(tái)系統(tǒng)的氣浮運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24108某直線(xiàn)電機(jī)精密氣浮平臺(tái)系統(tǒng)的氣浮運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 1272031.1運(yùn)動(dòng)模塊整體說(shuō)明 1196751.2靜壓氣浮導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì) 2202041.2.1導(dǎo)軌的作用和設(shè)計(jì)要求 2204431.2.2靜壓氣浮導(dǎo)軌工作原理 2270271.2.3氣浮導(dǎo)軌的常見(jiàn)形式 3289411.2.4導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 477241.2.5滑塊的設(shè)計(jì) 6183961.3氣體通路的設(shè)計(jì) 711691.4編碼器的安裝設(shè)計(jì) 81.1運(yùn)動(dòng)模塊整體說(shuō)明典型的機(jī)械系統(tǒng)通常由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，本文采用直線(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的形式，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要考慮導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)及導(dǎo)軌副之間氣浮支撐的形成。圖1.1為已設(shè)計(jì)完成的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)螺釘將電機(jī)動(dòng)子與滑塊連接在一起，再經(jīng)過(guò)滑塊內(nèi)部的氣體通路，向滑塊與導(dǎo)軌之間注入壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)氣浮支撐，提高平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性。在接下來(lái)的幾節(jié)中，將具體介紹結(jié)構(gòu)中各部件的設(shè)計(jì)思路。精密定位平臺(tái)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)是平臺(tái)設(shè)計(jì)的最重要的設(shè)計(jì)部分。導(dǎo)軌設(shè)計(jì)合理是平臺(tái)設(shè)計(jì)成功的保證。在導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮如下幾點(diǎn)基本要求：1．運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈活，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有爬行等不連續(xù)動(dòng)作；2．有極高的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度，并且能長(zhǎng)期保持精度；3．在實(shí)際應(yīng)用中有與使用條件相適應(yīng)的剛度；4．高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量要少；5．維護(hù)保養(yǎng)要容易圖1.1運(yùn)動(dòng)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖1.2靜壓氣浮導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)1.2.1導(dǎo)軌的作用和設(shè)計(jì)要求導(dǎo)軌副的作用是支撐和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)導(dǎo)軌的要求如下：1.一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)件沿導(dǎo)軌移動(dòng)的直線(xiàn)性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的準(zhǔn)確性。2.運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)。工作時(shí)，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時(shí)應(yīng)無(wú)爬行現(xiàn)象。3.良好的耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長(zhǎng)期使用后，能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌在使用過(guò)程中要磨損，但應(yīng)使磨損量小，且磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。4.足夠的剛度。運(yùn)動(dòng)件所受的外力，是由導(dǎo)軌面承受的，故導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導(dǎo)軌面寬度，以降低導(dǎo)軌面比壓；設(shè)置輔助導(dǎo)軌，以承受外載。1.溫度變化影響小。應(yīng)保證導(dǎo)軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。6.結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導(dǎo)軌其它要求的前提下，應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工、測(cè)量、裝配和調(diào)整，降低成本。1.2.2靜壓氣浮導(dǎo)軌工作原理靜壓導(dǎo)軌的工作原理與靜壓軸承類(lèi)似，在導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)件之間，通入具有一定壓力的空氣介質(zhì)，使運(yùn)動(dòng)件在氣體薄膜之上，與承導(dǎo)件脫離接觸，可是摩擦阻力(力矩)大大降低。運(yùn)動(dòng)件受到外載荷作用后，介質(zhì)壓力會(huì)反饋升高，以支承外載荷。圖1.2為能承受載荷F、P和傾覆力矩T的閉式氣體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖。當(dāng)工作臺(tái)受到集中載荷P(外力和工作臺(tái)重力)作用而下降時(shí)，使間隙h1、h2減少，h4、h6增大，則流經(jīng)節(jié)流閥1，2的流量減少，其壓力降也相應(yīng)減少，油腔壓力p2，p3升高。流經(jīng)節(jié)流閥5、7的流量增大，其壓力p5、p6則相應(yīng)降低。四個(gè)油腔產(chǎn)生向上的支承合力，使工作臺(tái)穩(wěn)定在新的平衡位置。若工作臺(tái)受到水平力F作用時(shí)，則h3減少，h5增大，左右油腔產(chǎn)生的壓力p1、p4的合力與水平方向的外力處于平衡狀態(tài)。圖1.2閉式氣體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖由于靜壓導(dǎo)軌利用的是空氣的粘性，所以在使用時(shí)應(yīng)注意防止機(jī)械使用處溫度的劇烈變化，以免引起靜壓導(dǎo)軌空氣壓力變化，同時(shí)必須確?？諝獾那鍧?。目前常用的導(dǎo)軌類(lèi)型主要有：一般滑動(dòng)導(dǎo)軌，塑料導(dǎo)軌，滾動(dòng)導(dǎo)軌，液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌。氣體靜壓導(dǎo)軌是這五類(lèi)導(dǎo)軌中定位精度最高的，由于導(dǎo)軌副之間通過(guò)氣膜連接，磨損近乎為零，因而具有很好的抗振性、噪音低、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、精度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。1.2.3氣浮導(dǎo)軌的常見(jiàn)形式氣浮導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)特征分為平面封閉型、圓筒封閉型、重量平衡型和負(fù)壓平衡型。(1)平面封閉型氣浮導(dǎo)軌，圖(a)。適用于高精度、高剛度、大負(fù)載的導(dǎo)軌。如大型、中型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和銑床導(dǎo)軌就采用此種結(jié)構(gòu)。(2)重量平衡型氣浮導(dǎo)軌，圖(b)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，但剛度低，用于負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。(3)負(fù)壓平衡型氣浮導(dǎo)軌，圖(c)。用壓力氣體產(chǎn)生浮力，形成懸浮狀態(tài)。用真空泵產(chǎn)生負(fù)壓以提高剛度。(4)圓筒封閉型氣浮導(dǎo)軌，圖(d)。該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)柱的圓柱度和導(dǎo)孔的間隙由機(jī)械加工決定。全部負(fù)載由導(dǎo)柱承受，導(dǎo)柱會(huì)彎曲，故常用于輕載、短導(dǎo)軌。圖1.3氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)由于平面封閉型氣浮導(dǎo)軌，具有更好的承載能力、更高的精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，所以選用導(dǎo)軌形式為平面封閉性導(dǎo)軌。1.2.4導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)根據(jù)氣浮運(yùn)動(dòng)模塊的原理圖和參考其他氣浮模塊結(jié)構(gòu)，將電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)單裝配在其中，初步設(shè)定模塊整體裝配方案，如圖所示圖1.4模塊設(shè)計(jì)雛形依據(jù)上圖的總體模塊設(shè)計(jì)思路，提出了兩種導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方案，如圖1.5。方案(a)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但這樣的設(shè)計(jì)增加了制造的復(fù)雜度，而且由于導(dǎo)軌不僅有導(dǎo)向的作用還有支撐的作用，若在導(dǎo)軌上的滑塊受力不均，易產(chǎn)生側(cè)翻。方案(b)在(a)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將(a)方案的導(dǎo)軌分離為左右兩個(gè)導(dǎo)軌，每一個(gè)導(dǎo)軌通過(guò)螺釘與底板進(jìn)行連接，當(dāng)滑塊受力不均勻時(shí)力會(huì)作用到螺釘上，此時(shí)螺釘會(huì)承受一定的載荷，增加導(dǎo)軌整體的穩(wěn)定性。選定方案(b)后，結(jié)合電機(jī)的定子外形尺寸，并預(yù)留編碼器的安裝空間，設(shè)計(jì)導(dǎo)軌的高，導(dǎo)軌的安裝形式采用底部固定，螺釘選用M6內(nèi)六角螺釘。導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)圖如圖1.6，安裝示意圖如圖1.7。同時(shí)由于導(dǎo)軌與滑塊設(shè)計(jì)靜壓氣浮支撐，設(shè)計(jì)導(dǎo)軌的平行度為0.4，直線(xiàn)度為0.15，表面粗糙度為0.8，導(dǎo)軌與滑塊之間采用間隙配合，要求導(dǎo)軌的上偏差為0，下偏差為-5μm。（a）（b）圖1.5導(dǎo)軌設(shè)計(jì)方案圖1.6導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖圖1.7導(dǎo)軌安裝及布局示意圖1.2.5滑塊的設(shè)計(jì)依據(jù)圖1.4的思路設(shè)計(jì)滑塊，提出三種設(shè)計(jì)方案如圖1.8，方案(a)整體設(shè)計(jì)可以達(dá)到很好的氣密性，氣浮支撐穩(wěn)定。但是這種結(jié)構(gòu)加工制作工藝復(fù)雜，滑塊與導(dǎo)軌的拆裝不便，滑塊與電機(jī)動(dòng)子的安裝也不方便，整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不利于裝配和拆裝維護(hù)。方案(b)屬于一種拆分式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較第一個(gè)方案有所簡(jiǎn)化，具有較好的加工工藝，且易于安裝和維護(hù)，缺點(diǎn)上下滑塊之間利用螺釘連接，雖然可以通過(guò)提高接觸面的平面度和粗糙度來(lái)控制連接的緊密性，但仍會(huì)存在微小的氣體泄漏，氣密性不如方案(a)。方案(c)是方案(a)和(b)的整合，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，加工工藝更加合理，拆分式的結(jié)構(gòu)利于裝配和維護(hù)，同時(shí)采用方案(c)拆分方式，可以使滑塊質(zhì)量更均勻的分配給上下部分，提高滑塊的承載能力，當(dāng)然方案(c)的氣密性也沒(méi)有(a)的好，但綜合考慮，方案(c)的設(shè)計(jì)更為合理?；瑝K的結(jié)構(gòu)如圖1.9，連接板的結(jié)構(gòu)如圖1.10。圖1.8模塊設(shè)計(jì)方案圖1.9滑塊結(jié)構(gòu)圖圖1.10滑塊連接板結(jié)構(gòu)圖1.3氣體通路的設(shè)計(jì)在1.2.3節(jié)中，我們已經(jīng)選擇了平面封閉型氣浮的導(dǎo)軌類(lèi)型。該氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)在支撐方向上設(shè)計(jì)了相對(duì)的氣膜，從而產(chǎn)生預(yù)加載荷，提高了氣浮導(dǎo)軌的承載能力和剛度。因此，在通路設(shè)計(jì)方面也要經(jīng)過(guò)上下，左右方向的節(jié)流小孔向承導(dǎo)件與滑塊之間注入壓縮空氣。本文在圖1.11中模塊的前面打了六個(gè)通孔，將其中一端用氣堵堵上后，氣源從這些孔注入，氣體注入后，經(jīng)過(guò)開(kāi)在滑塊左右、上下側(cè)的四排作用孔向?qū)к壟c滑塊間注入壓縮空氣。此時(shí)，同樣將這四排作用孔的外側(cè)端用氣堵封閉，內(nèi)側(cè)用氣嘴導(dǎo)入小流量的壓縮空氣。另外模塊在其內(nèi)部開(kāi)設(shè)了兩條氣體通路，可將各側(cè)的氣流聯(lián)通，減少氣源的數(shù)量，增強(qiáng)氣路中氣體的均衡度，提高氣浮支撐的剛度。圖1.11滑塊氣體通路1.4編碼器的安裝設(shè)計(jì)根據(jù)所選光柵尺的安裝手冊(cè)，可知廠(chǎng)家為便于客戶(hù)安裝，在光柵讀數(shù)頭的兩側(cè)設(shè)有M3的螺紋孔。依手冊(cè)，繪制光柵讀數(shù)頭14.8mm×36.0mm×13.5mm(H×L×W)和刻度尺的三維實(shí)體圖，本文刻度尺長(zhǎng)度選為284.7mm。根據(jù)實(shí)體圖試裝配光柵，發(fā)現(xiàn)光柵讀數(shù)頭并不能與滑塊連